纖維素是地球上最古老、最豐富的天然高分子，是種取之不盡用之不竭的、人類最寶貴的天然可再生資源。纖維素化學與工業(yè)始于160多年前，是高分子化學誕生及發(fā)展時期的主要研究對象，纖維素及其衍生物的研究成果又為高分子物理及化學學科創(chuàng)立、發(fā)展和豐富作出重大貢獻。曾經(jīng)有一個時期，因為纖維素的水敏感性、難溶及難熔性，石油化工合成產(chǎn)品和材料的興起，對纖維素研究的興趣有所減少，但20世紀70年代后，因為石油危機及合成化工原料的緊缺，價格不斷上漲，并隨著在世界范圍內(nèi)對環(huán)境污染問題的日趨重視，價廉物豐、可生物降解、無毒、生物相容性好的可再生纖維素資源及其衍生物的研究、開發(fā)和應(yīng)用又迎來了第二個春天。

一、纖維素的來源與種類

早在1838年，法國植物學家Anselme Payen用木材，經(jīng)過硝酸、氫氧化鈉溶液交替處理分離出來一種結(jié)構(gòu)均勻的白色物質(zhì)，首次將其命名為cellulose，即纖維素，意指細胞破裂后所得到的物質(zhì)。直到1932年才由 Sdaudinger 確定它的聚合物的形式。

作為地球上最為豐富的天然有機可再生資源，纖維素來源于綠色的陸生、海底植物和動物體內(nèi)。植物纖維素又根據(jù)來源分為棉、木、麻和各種秸稈植物纖維素等多種類，是植物纖維細胞壁的主要成分；另外還有一些是來自動物細菌、海底生物和各種動物體內(nèi)的動物纖維素。纖維素主要存在于綠色植物世界，通過光合作用，植物每年可合成的纖維素有數(shù)億萬噸，其中木漿纖維素約100′106t，棉纖維素12′106t，對于纖維素醚工業(yè)生產(chǎn)來講，根據(jù)各國資源差異，所用的原料纖維素主要來源是這兩大類。

在我國，纖維素醚制造廠家主要采用棉纖維素，即常講的精制棉。來源主要是除去長絨后殘留在棉籽殼上的長度小于10mm的棉短絨，經(jīng)過精制后得到的。棉籽上的棉短絨富含纖維素，含量約65%~80%，其余的成分是脂肪、蠟質(zhì)、果膠和灰分等。精制的目的就是通過化學處理除去這些成分和雜質(zhì)，得到纖維素含量 99.5%的精制棉，過程是在精制棉廠完成的。精制首先是將棉短絨原料經(jīng)過開松、除塵后，浸于稀的燒堿溶液中在壓力下加熱蒸煮，以除去脂肪、蠟質(zhì)、殘留的籽殼、果膠和灰分等，同時破壞纖維的外層初生細胞壁，使細胞發(fā)生擴脹，也能夠降低纖維素的結(jié)晶度，增大纖維素纖維間隙與其比表面積，有利于提高棉漿的化學反應(yīng)能力。蒸煮后的漿料再經(jīng)過洗滌、除砂、打漿、漂白、脫水和干燥等工序，最后得到纖維素含量合格的精制棉產(chǎn)品。纖維素含量主要是指a-纖維素含量，其定義是在20oC時不溶于17.5%NaOH水溶液的高分子的纖維素。

木材中含有35%~45%纖維素，其余的為半纖維素（25%~35%）、木質(zhì)素（20%~30%）、脂肪、蠟質(zhì)、殘留的籽殼、果膠和灰分等，比較復(fù)雜。

由于氣候和地域的差異，各個國家所擁有的木纖維的種類也有所不同，世界主要天然木纖維來自各種軟木和硬木，在美國南部的混交林中主要是硬木類，有白樺（Betula sp.）、白楊（Populus tremula和P.tremuloides）、橡樹（Quercus sp.）、橡膠樹（Nyssa sp.）、楓樹（Acer sp.）和山毛櫸樹（Fagus sp.）等多個品種。北半球的軟木林帶包括俄羅斯、北歐、加拿大和北美部分地區(qū)。亞洲和歐洲的主要針葉林，有東西伯利亞的落葉松（Larix sibirica）、歐洲赤松（Pinus silvestris）、挪威云杉（Picea abies）。北美主要有白云杉（Picea glauca）和黑云杉（P.mariana）、香脂冷杉（Abies balsamea）、Jack（P.contorta）、黑松（Pinus banksiana）等。美國有鐵杉（Tsuga sp.）、花旗松（Pseudotsuga sp.）、還有西部和南部的松樹，南部松樹主要有Pinus taeda， P.elliottii和P. palustris等多個品種。

除了天然林，還有一些人工種植的軟木和硬木品種，如生長在澳大利亞和新西蘭的Radiata松樹（Pinus radiata）。種植在亞熱帶地區(qū)的許多桉樹品種在制漿造紙工業(yè)中也發(fā)揮了重要作用。其它各種非木材纖維原材料，主要是禾本科植物，如谷類稻草（大米、小麥等）秸稈、甘蔗渣和竹子等，形成了重要的纖維來源，但還沒有得到充分利用。

利用木材制得纖維素漿粕方法有幾種，但目的都是將半纖維素、大量殘留的木質(zhì)素溶解，再漂白后去除殘留物，最后得到高a-纖維素含量的高純度漿粕。主要有亞硫酸氫鹽工藝、亞硫酸鈉工藝和預(yù)水解Kraft工藝。各種亞硫酸制漿工藝脫除木質(zhì)素，實際是以二氧化硫為主，改變陽離子種類、溶液pH值和蒸煮溫度。酸性亞硫酸氫鈣制漿工藝遍及全球，但由于化學再生時產(chǎn)生不溶性的硫酸鈣，使用受到限制。后來，引入所謂的可溶性陽離子，如鎂、鈉和銨離子，溶液pH值從傳統(tǒng)的亞硫酸氫鈣工藝的1~2，增加到亞硫酸氫鎂工藝的5，甚至達到亞硫酸氫鈉/硫酸氫鈉工藝的堿性條件。

酸性亞硫酸氫鹽工藝和改進的兩步或三步亞硫酸鈉工藝，如Rauma工藝，在很長時間內(nèi)曾對溶解制漿業(yè)發(fā)揮了重要作用，酸性亞硫酸氫鹽工藝還一直沿用。多步法工藝的主要特點是亞硫酸氫鹽/亞硫酸鹽階段和堿性階段交替進行。工藝可以堿性階段開始或結(jié)束，后一種需要選擇堿性提取以降低殘留的半纖維素含量。

Kraft制漿工藝是世界范圍內(nèi)常用的工藝，并作為評定紙板木漿等級的主要工藝。為了得到溶解木漿級產(chǎn)品，在Kraft蒸煮前進行預(yù)水解。預(yù)水解是在 140~170℃下對木材碎片進行蒸汽處理或用水蒸煮，或者在110~120℃用稀酸處理。蒸汽或水處理可以破壞木材中的乙酰基和甲酸基，形成乙酸和甲酸，使木材的pH值達到3.5，以促使木材成分解聚，隨水解時間和溫度不同，質(zhì)量可減少5%~20%。近一半軟木半纖維素，主要是葡甘露聚糖，水解后就溶解，但木質(zhì)素幾乎不發(fā)生變化。而相對來講，大量硬木木質(zhì)素溶解了。如果延長水解時間，纖維素發(fā)生變化，又會導(dǎo)致a-纖維素產(chǎn)量降低，使更多的木質(zhì)素縮合。也使得在工藝后期去除木質(zhì)素較困難，需要更強的堿和更高的溫度。在預(yù)水解階段木材損失20%~22%，山毛櫸（fagus silvatica）可得到較高的a-纖維素含量（95%~96%）。增加木漿的預(yù)水解和Kraft蒸煮溫度，可減少處理時間，同時在a-纖維素含量相當?shù)那闆r下粘度明顯降低。所有條件相同的情況下，由松木和樺木得到的a-纖維素含量（稍低于96%）相同，而桉木則稍高于97%，粘度同硬木漿大致相同，但明顯高于松木漿。

原料從軟木到硬木，工藝從酸性亞硫酸到堿性預(yù)水解Kraft法，現(xiàn)代溶解木漿生產(chǎn)工藝得到很大的發(fā)展。使用硬木可生產(chǎn)高a-纖維素含量的木漿，且易實現(xiàn)完全無氯漂白（即TCF工藝過程，是指各工藝階段都沒有含氯物加入）過程漂白。然而歸根結(jié)底，性能優(yōu)良的再生纖維素要求纖維素活性高，a-纖維素含量高，聚合度分布窄及其溶液粘度容易控制等。

表1匯集了幾種來源不同的纖維素及其衍生物的重均分子量Mw和聚合度DP。

表1. 部分纖維素和衍生物的Mw和DP范圍